郑永春

从火星冲日说起

太阳系是我们的家园，地球是太阳系中的一颗行星。在太阳系中，地球是第三颗行星，火星是第四颗行星，它们都绕着太阳转。虽然，从大小来说，金星是与地球最接近的行星。但是，以相似性而言，火星才是整个太阳系中与地球环境最相似的行星，因而也是最吸引人类前往探索的星球。

因为火星是红色的，所以在古代，无论是东方还是西方，人们大多把它当作不吉的象征。在西方神话中，火星被视为战神的象征，代表着战争、血腥和灾难。

火星冲日是一种常见的天文现象，每当天空中火星和太阳分处地球的两侧，太阳、地球、火星在一条直线上时就会出现。火星冲日前后，黄昏时，太阳刚下山，火星就从东方的天空升起。黎明前，火星刚从西方的天空落下，太阳就升起来了。这就好似肩上的扁担，一头翘起，另一头就会落下。深夜的时候，太阳在我们脚下的另一个半球，火星恰好在头顶的正上方，相当于整夜都可以看到火星。只要天气晴好，夜幕降临后，面向东方，就会看到地平线升起来一颗亮星，就像红宝石一样，镶嵌在黑色的天幕之上，熠熠生辉，美艳无比。

火星冲日的时候，是从地球上观测火星的最佳时期。航天时代到来以前，每逢火星冲日，全世界的天文学家都会把望远镜对准火星。1610年，伽利略第一次把望远镜对准了火星。但他的望远镜实在是太简陋了，似乎没有留下什么证据证明他当时的发现。毕竟，从地球上观测火星还是太远了。

很多人介绍天文现象时，经常会用“多少年一遇”说明它的罕见性。2020年10月14日，是26个月一遇的火星冲日。观测火星的时机其实不限于火星冲日当天，冲日前后的2～3个月，都是从地球上观测火星的好时机。整个10月，火星都是夜空中最亮的那颗星，而且长时间可见。通过普通的天文望远镜，我们就能看到火星的红色表面及其明暗变化，甚至还能看到白色的极冠。运气好的话，或许还能识别出长达4000千米的水手大峡谷。

时至今日，仍然有一种说法认为，火星冲日和个人运势有某种关系，这是没有任何道理的。火星冲日时，地球和火星这两颗行星在太阳的同一侧，都朝着太阳的方向，是一种周期性出现的自然现象。就像操场上跑步的两位同学，不管谁快谁慢，多跑几圈，总有机会出现两人并肩跑的情况。

你可能听说过“水逆”，也就是水星逆行，其实火星也会出现逆行。如果长期观测火星，就会发现它在天空中的轨迹（相对于恒星组成的背景图案）很是诡异：大多数时候往前走（顺行），有时停住不走了（留）。滞留一段时间后，又开始后退（逆行）。退了一段时间，又开始往前走。行星逆行是很常见的天文现象，从地球上看，太阳系的所有行星都会出现逆行，但这只是我们从地球上看事物的直觉，并不符合客观事实。其他行星和地球一样，都绕着太阳逆时针公转，它们到地球的距离有时远、有时近。如果站在太陽系上方俯视就会发现，火星不会逆行，水星也不会逆行，所有行星都不会出现逆行。

火星冲日、火星逆行，以及水逆、星座、流星雨等，都是常见的天文现象，与国家和个人的命运没有任何关系。我们在地球上的生活主要受太阳的引力和辐射的影响，其他行星的引力、辐射，对我们基本没有影响。就像莎士比亚曾经说过那样：“掌握我们命运的不是星座，而是我们自己。”

火星探测器的发射时机

2020年7月20日，阿联酋发射了“希望号”火星探测器;7月23日，中国发射了“天问一号”;7月30日，美国发射了“毅力号”火星车。为什么这些火星探测器都选在2020年7月飞向火星呢？这是因为，2020年7月到8月，是火星探测器发射的“窗口期”。

在太阳系中，地球沿着第三条轨道运行，火星沿着第四条轨道运行，就像城市道路中的三环路和四环路（见图1）。探测器从地球上发射后，将沿着发射时地球所在的位置，与半年多之后航天器抵达火星时火星所在位置之间的抛物线，飞向火星。这条抛物线就像三环路和四环路之间的连接线，是从地球去往火星最节省能量的一条路线，由德国物理学家霍曼通过计算发现，被称为“霍曼转移轨道”。

航天器要顺利进入霍曼转移轨道，就要选择火星位于地球前方44°时从地球发射，这一时机被称为火星探测器的发射窗口。一旦错过发射窗口，就要等地球绕太阳再转2圈多，地球和火星回到原来的相对位置时再发射，这一等就是26个月。

火星探测器在发射窗口发射，最节省燃料，只需要把从探测器的飞行速度提高到每秒11.2千米（也就是摆脱地球引力的“第二宇宙速度”）。我知道，你可能希望随时都能去火星，这也不是不可以。如果在最不利的时机去火星，探测器需要加速、减速、改变方向等，这些动作都需要消耗燃料，消耗的燃料如果折算成速度变化量，相当于要把探测器的速度变化提高到每秒100千米，相比发射窗口去火星提高了9倍，这对现有的航天技术是一个很大的考验，即便能实现，也很不经济。所以，要实现火星探测想去就去，任尔驰骋，还需要几代人的持续努力。

火星探测器发射窗口并不是火星冲日期间，即并不是地球和火星距离最近的时候。因为火星在往前走，地球也在往前走，如果二者距离最近的时候发射过去，火星显然已经跑掉了。所以，火星探测器的发射窗口在火星冲日之前的2～3个月。